□□申占民，丁再珍，鄭倩，王振中，趙起

輥磨磨輥密封設(shè)計(jì)探討

Sealing Design Discussion for Grinding Roller of Roller Mill

□□申占民，丁再珍，鄭倩，王振中，趙起

介紹了密封的作用、分類，以及密封設(shè)計(jì)的基本知識，重點(diǎn)提出了輥磨磨輥軸承油封設(shè)計(jì)需要注意的問題，并探討了幾種油封設(shè)計(jì)的優(yōu)缺點(diǎn)。

密封；立式輥磨；油封

1 前言

磨輥是輥磨中的關(guān)鍵部件 （圖1），其使用的軸承都是大型軸承。在國內(nèi)生產(chǎn)的輥磨，如果采用進(jìn)口軸承，則軸承價格約占整機(jī)價格的十分之一左右，因此軸承使用的好壞直接影響到整臺設(shè)備的運(yùn)行和成本。

由于磨輥在高溫高粉塵環(huán)境下工作，振動較大，故軸承承受較大的沖擊負(fù)荷。其工作環(huán)境可歸納為：

·低速(＜50r／min)

·重載

·高溫 (＋150°C)

·粉塵大

·潮濕，氣體中含有大量水蒸氣。

因此軸承使用，除了設(shè)計(jì)合理以外，軸承的潤滑以及油的清潔度更為重要。在惡劣的工況下，如何保證粉塵不進(jìn)入軸承內(nèi)是非常關(guān)鍵的。有資料顯示，如果潤滑油的清潔度從GB／T14039－2002規(guī)定的 23／20提高到16／13，則軸承壽命就可以提高3.5倍，因此磨輥密封設(shè)計(jì)對于磨輥軸承而言十分重要。在磨輥密封設(shè)計(jì)中，一般采用氣封裝置和油封或機(jī)械密封組合設(shè)計(jì)。本文從密封機(jī)理及材料結(jié)構(gòu)選擇上結(jié)合機(jī)械設(shè)計(jì)計(jì)算對磨輥密封設(shè)計(jì)進(jìn)行探討。

2 密封簡介

2.1 密封的作用

密封的作用一是防止泄漏，二是防止粉塵等異物進(jìn)入。泄露是機(jī)械設(shè)備常見的故障之一，其原因主要有兩方面：一是由于機(jī)械加工的結(jié)果，零件表面必然存在各種缺陷和形狀及尺寸偏差，因此在零件連接處會產(chǎn)生間隙；二是密封兩側(cè)存在壓力差，工作介質(zhì)就會通過間隙而泄漏，同時外界物質(zhì)也會通過間隙而進(jìn)入。消除或減少任一因素都可以阻止或減少泄漏。密封的作用就是將接合面間的間隙封住，隔斷或切斷泄漏通道，增加泄漏通道中的阻力。密封作用的有效性用“密封度”來衡量。密封度可以用單位時間內(nèi)介質(zhì)的體積或質(zhì)量的泄漏量，即泄漏率來表示。一般來講，靜密封可能達(dá)到零泄漏，但動密封就不太容易做到，由于接觸密封面的任何相對位移都會給接合表面上的粗糙處泄漏創(chuàng)造條件，要達(dá)到零泄漏非常困難。密封性能是評價機(jī)械產(chǎn)品質(zhì)量的一個重要指標(biāo)。就輥磨而言，潤滑油的泄漏會造成浪費(fèi)并污染環(huán)境。環(huán)境中的粉塵、氣體、水等進(jìn)入設(shè)備內(nèi)會導(dǎo)致軸承過早地磨損報(bào)廢。據(jù)統(tǒng)計(jì)，60%的非計(jì)劃停車事故與密封故障有關(guān)。

2.2 密封分類

密封分為靜密封和動密封。磨輥軸承屬于動密封。動密封又分為接觸型和非接觸型。由于磨輥轉(zhuǎn)速較低，一般采用接觸型密封。接觸型動密封有：軟填料密封；成型填料密封；油封；防塵密封；機(jī)械密封；硬填料密封；脹圈密封。對密封的基本要求是密封好，安全可靠，壽命長，并應(yīng)力求結(jié)構(gòu)緊湊，系統(tǒng)簡單，制造維修方便。在目前的磨輥密封中，有油封，也有機(jī)械密封。

2.3 密封材料

密封材料應(yīng)滿足密封功能的要求。由于被密封介質(zhì)的不同，以及設(shè)備的工作條件不同，要求密封材料具有不同的適用性。對密封材料的要求一般是：

（1）材料致密性好，不易泄露介質(zhì)；（2）有適當(dāng)?shù)臋C(jī)械強(qiáng)度和硬度；（3）壓縮性和回彈性好，永久變形??；

（4）高溫下不軟化，不分解，低溫下不硬化，不脆裂；

（5）抗腐蝕性能好，在酸、堿、油等介質(zhì)中能長期工作，其體積和硬度變化小，且不粘附在金屬表面上；

（6）摩擦系數(shù)小，耐磨性好；

（7）具有與密封面結(jié)合的柔軟性；

（8）耐老化性好，經(jīng)久耐用；

（9）加工制造方便，價格便宜，取材容易。

橡膠是最常用的密封材料。

2.4 密封的摩擦、磨損和潤滑

摩擦和磨損是接觸型動密封中必然存在的問題。接觸型動密封的密封件與被密封件相接觸，由于有相對運(yùn)動產(chǎn)生摩擦，從而導(dǎo)致發(fā)熱和零件表面的磨損，這是引起泄漏及密封件損壞的主要原因。

石渡秀男等人根據(jù)軸承潤滑理論研究機(jī)械密封，由實(shí)驗(yàn)得出密封準(zhǔn)數(shù)G與摩擦因數(shù)f有下面的關(guān)系：

式中：η——密封流體動力粘度

ν——密封端面平均線速度

b——密封圈端面寬度，

d1,d2——端內(nèi)外直徑

W——端面承受的總載荷

ψ——密封特性數(shù)，由密封型式而定

m——動密封指數(shù)，見表1

G值越大，表示越容易形成油膜，相應(yīng)的油膜厚度也越大。當(dāng)G≥1×10－6時，兩個密封面被油膜完全隔開，處于流體潤滑狀態(tài)。在G=（0.1～1）×10－6范圍內(nèi)，ψ≠常數(shù)，此時密封面處于邊界潤滑狀態(tài)或半流體潤滑狀態(tài)，兩表面被一層具有分層結(jié)構(gòu)和潤滑性能的邊界膜分開。對于一定的結(jié)構(gòu)、尺寸和材料組對的密封，ψ存在著一個臨界值ψc，ψ＞ψc為密封區(qū)，ψ＜ψc為泄漏區(qū)。ψc與密封面的直徑D和寬度b之比D／b以及摩擦副材料有關(guān)。此外，摩擦特性還可以用來區(qū)別密封的摩擦狀態(tài)。圖2所示為判別摩擦狀態(tài)用的，即摩擦學(xué)中的Stribeck曲線。如圖所示，1～2為紊流區(qū)，2～3為層流區(qū)。1～3為液體潤滑區(qū)，該區(qū)的油膜厚度與表面粗糙度之比（膜厚比）λ=3～5。3～4為流體潤滑與邊界潤滑的混合潤滑區(qū)（虛線），該區(qū)λ≤3，第一凸峰可能接觸。3～4為彈性流體潤滑或部分彈性流體潤滑（薄膜潤滑）區(qū)，λ≈3.4～5為邊界潤滑區(qū)，該區(qū)膜厚非常薄，λ≤1會造成固體接觸。4～6為邊界潤滑與固體摩擦的混合潤滑區(qū)，該區(qū)λ≥0.4。6～7為固體摩擦區(qū)，λ＜0.4,完全失去液膜的承載能力。

3 磨輥密封設(shè)計(jì)

目前在多數(shù)磨輥軸承密封設(shè)計(jì)中，基本上都采用油封，油封與其他密封比較有下列優(yōu)點(diǎn)：

（1）油封重量輕，耗材少；

（2）油封的安裝位置小，軸向尺寸小，容易加工；

（3）密封性能好，使用壽命長，對設(shè)備的振動和主軸的偏心都有一定的適應(yīng)性；

（4）拆卸容易，檢修方便；

（5）價格相對便宜。

用作油封的橡膠主要有丁腈橡膠，聚氨酯橡膠，丙烯酸酯橡膠，特殊情況用氟橡膠，硅橡膠，聚四氟乙烯橡膠。其中丁腈橡膠耐油，聚氨酯橡膠耐磨，硅橡膠耐高溫和低溫，氟橡膠則較耐高溫。由于在磨輥軸承潤滑中一般采用極壓工業(yè)齒輪油，硅橡膠耐油性能一般，而氟橡膠具有優(yōu)良的耐油和耐高溫性能，因此油封一般都選用氟橡膠。

3.1 影響油封密封性能的因素

影響油封的密封性能的因素很多，主要的影響因素如下：

（1）橡膠品種的影響。丁腈橡膠適用溫度范圍－40～120℃，丙烯酸酯橡膠適用溫度范圍－20～150℃，硅橡膠適用溫度范圍－100～250℃，氟橡膠的適用溫度范圍－40～200℃，它們的耐介質(zhì)性能也各不相同。

（2）潤滑油不同，油封的潤滑狀態(tài)也不一樣，摩擦熱也有差異。根據(jù)經(jīng)驗(yàn)，潤滑油完全把軸淹沒時油封的發(fā)熱要比只淹沒25%軸徑時的大。所以設(shè)計(jì)時油量以淹沒50%軸徑為限度。

（3）潤滑油添加劑對油封的影響也不容忽視。潤滑油的功能在于使軸和軸承之間形成油膜。但是在某些苛刻條件下，油膜易受破壞。為了防止這種情況，在油中放入各種添加劑。例如在各種齒輪油中都加有耐高壓和高速的添加劑。這種添加劑中，有磷、硫、氯等油溶性有機(jī)化合物，或金屬的有機(jī)化合物。它們在高溫下起化學(xué)反應(yīng)，在軸承間隙形成耐高溫高壓的油膜。但是這些添加劑卻對油封帶來不利影響，其中尤其以磷、硫、氯等成分影響最大。它們能與橡膠的不飽和雙鍵相交聯(lián)，使橡膠硬化，造成油封失去彈性而泄漏。

（4）如果設(shè)備維護(hù)不好，不按規(guī)程使用和換油，油就可能變質(zhì)。油變質(zhì)的原因大致有三方面：一是油本身氧化；二是油未濾凈，油中帶有設(shè)備磨損的金屬顆粒；三是混入外界的粉塵顆粒。油中的微小顆粒一旦隨油到達(dá)油封唇部，就會使唇和軸磨損。因此定期換油和濾清是非常必要的。

（5）軸表面粗糙度對油封性能和使用壽命有非常大的影響。表面粗糙度過低時，油容易從密封接觸之間擠出，導(dǎo)致油膜變薄或破裂，油封唇部就會發(fā)熱甚至燒化。反之，粗糙度過高時，軸轉(zhuǎn)動易刮傷油封唇口，使密封面變毛，摩擦力增大，唇口很快磨損，造成泄漏。試驗(yàn)證明，最佳粗糙度Ra在0.8～3.2um范圍內(nèi)。

（6）裝配也是影響油封使用性能的一個因素。在裝配中，與油封相配合的油封座端面要有15°～30°的倒角，座孔不允許有損傷，底面圓角R不大于0.5mm。

3.2 油封的摩擦特性和影響因素

油封的摩擦特性取決于潤滑油腔的壓力、橡膠唇口的徑向力和唇口的潤滑狀態(tài)，同時周速和運(yùn)行時間也有一定的影響。唇口的徑向力是指單位圓周上的油封唇口對軸的箍緊力，它是表征唇口摩擦面上線接觸應(yīng)力大小的重要特征參數(shù)。油封徑向力一般選取在100～200N／m。一般來說，徑向力在100N／m左右時油封壽命最長，當(dāng)超過400N／m時壽命最短。油封唇口的徑向力一般由三部分組成：一是唇口對軸的過盈量產(chǎn)生的徑向力；二是油封腰部彈性變形產(chǎn)生的徑向力；三是油封彈簧產(chǎn)生的徑向力。油封在開始旋轉(zhuǎn)時摩擦力矩較大，而后逐漸下降，大約經(jīng)1h后趨于穩(wěn)定。如果在唇口與軸頸之間存在粉塵，不但形不成油膜，而且會造成唇口和軸的急劇磨損。在SKF設(shè)計(jì)的油封中，其副唇采用聚四氟乙烯材料防塵（圖3）。由于聚四氟乙烯有很好的自潤滑功能和耐磨性能，因此能很好地提高主唇的壽命，從而提高整個油封的壽命。

3.3 油封的密封機(jī)理

油封唇口與軸接觸面之間存在著一層很薄的粘附油膜。這層油膜的存在，一方面可以起到密封流體介質(zhì)的作用，另一方面還可以起到唇與軸之間的潤滑作用。但是油封在使用過程中，由于油封唇的作用，軸表面及轉(zhuǎn)動情況和流體密封性質(zhì)的不同，以及三者的相互作用和相互配合條件是經(jīng)常發(fā)生變化的，所以油封在動態(tài)下經(jīng)常是處于流體潤滑、邊界潤滑和干摩擦三種狀態(tài)交替共存的情況。

3.4 油封的使用

為了使油封在開始工作時容易形成油膜，在安裝時對油封唇部涂抹潤滑脂。由于鋰基潤滑脂耐熱和耐水性能好，溫度變化時稠度很少變化，而鈉基脂遇水容易乳化；鈣基脂不耐高溫；二硫化鉬潤滑脂長期停車后在大氣作用下容易蒸發(fā)干，因此一般選用鋰基潤滑脂。同時在惡劣環(huán)境下，油封一般都組合使用，把2～3個同類型或不同類新油封按照一定的順序安裝在一起使用。這樣可使其性能提高到單個油封達(dá)不到的范圍。組合使用時，潤滑尤為重要，一般連續(xù)運(yùn)行200～300h后即需要更換一次油脂。

4 結(jié)論

由以上論述可知，在磨輥油封的設(shè)計(jì)、選用和使用過程中要注意以下幾個方面：

（1）由于磨輥工作環(huán)境溫度高，粉塵大，因此油封材料選用氟橡膠；

（2）油封的密封機(jī)理是依靠在唇口與軸接觸面形成一層很薄的油膜。根據(jù)摩擦學(xué)中的Stribeck曲線 （圖2），膜厚比λ=3～5時為液體潤滑區(qū)。由于磨輥轉(zhuǎn)速較慢，也不容易形成液體潤滑區(qū)，因此應(yīng)盡可能提高輥軸的表面光潔度，一般取Ra在0.8～1.6。

（3）為了提高油封裝配的可靠性，在油封座和軸肩處設(shè)計(jì)15°～30°的倒角，便于油封的安裝和拆卸。

（4）由于磨輥是在高粉塵環(huán)境中工作，在油封周圍不可避免地有粉塵存在，因此磨輥油封一般都組合設(shè)計(jì)，同時也采用主副唇雙唇設(shè)計(jì)，副唇起到防塵的作用。

（5）在組合油封的設(shè)計(jì)中，特別要注意外側(cè)油封的潤滑設(shè)計(jì)，防止形成干摩擦，造成油封過早損壞。

（6）為了形成合理的油封唇口徑向力，除了選擇合格的油封產(chǎn)品以外，軸的尺寸公差，油封座的尺寸公差，以及油封座孔與軸的同心度都要控制在合理的范圍內(nèi)。

（7）由于與油封接觸的軸面長期處在油封唇口的摩擦下，久而久之就容易磨損軸徑，因此此處軸徑表面硬度應(yīng)提高，一般在HRC50以上。或者在此處加設(shè)軸套，淬硬軸套表面，從而避免損傷軸。

總之，油封設(shè)計(jì)的好壞直接影響到軸承的使用和壽命，從而也影響到設(shè)備的運(yùn)轉(zhuǎn)率，因此是磨輥設(shè)計(jì)的關(guān)鍵之一。

[1]徐灝.密封[M].冶金工業(yè)出版社，2001.

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TQ172.632.5

A

1001－6171（2010）04－0086－04

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2009－12－01； 編輯：沈 穎